生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程课件

21世纪高等院校

—生物工程类

生物反应工程

BioreationEngineering

李敬21世纪高等院校

1第一章绪论1.1生物反应工程的研究目的1.2生物反应工程的发展过程1.3生物反应工程的主要内容1.4生物反应工程的研究方法1.5思考题第一章绪论1.1生物反应工程的研究目的2FERMENTATION生物催化剂-enzyme-microbioass-animalandplantcellDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecovery生物技术产品生产过程原材料1.1生物反应工程的研究目的FERMENTATION生物催化剂DOWNSTREAMPR3生物反应工程定义：

以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。

生物反应工程定义：42

反应工程的用途、作用

反应动力学

反应模式速率方程活化能

反应器的设计与分析

各因素（T,P,c）的变化规律最佳工况2反应工程的用途、作用反应动力学5研究目的：

提供适宜的动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。研究目的：提供适宜的动力学方程，以描述6一、诞生时期（20世纪40年代）1947年美国的Merch制药厂因在建立抗生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为代表的微生物发酵工业进入一个新的发展阶段，而被授予“生化工程专题研究”成果奖，一门反映生物和化学工程交叉的学科——生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。1.2生物反应工程的发展过程一、诞生时期（20世纪40年代）1.2生物反应工程的发展过程7二、发展时期（20世纪50年代以后）1964年，Aiba等认为放大是生化工程的焦点，与微生物代谢反应紧密相连，1973年，进一步指出，在大规模研究方面，应当进一步开展对微生物反应本质的研究。1971年，英国的Atkinson首先采用了生物反应工程这一术语，1974年，在他编著的《生物反应器》一书中指出，生物反应工程的目的是描述微生物体系反应动力学的合适表达式，并能够通过实验求出其常数。二、发展时期（20世纪50年代以后）81979年，日本山根恒夫《生物反应工程》，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面，一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。1979年，日本山根恒夫《生物反应工程》9三、新时期（20世纪90年代）

基因工程技术与生物反应工程技术不断的融合，人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。

质粒复制与表达动力学

超临界相态下的生物反应

界面微生物生长模型

双液相生物反应三、新时期（20世纪90年代）10

1.3生物反应工程的主要内容生物反应工程是以工业规模的生物反应过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可操作性，生物反应工程的研究内容为下述2项，

生物反应动力学

生物反应器的设计、放大与缩小1.3生物反应工程的主要内容生物反应工程11生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响，它是生物反应工程学的理论基础之一，这里所讨论的生物反应动力学包含两个层次的动力学。（1）本征动力学，又称微观动力学。（2）宏观动力学，又称反应器动力学。计算反应时间和反应器体积生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和12生物反应过程的分类及其特征分类酶催化反应单一细胞反应过程多细胞反应过程动植物细胞反应体系反应水平分子水平细胞水平细胞水平细胞或组织水平底物数量1-2种若干种若干种若干种产物数量1-2种细胞和若干种代谢产物若干种菌体和CO2、CH4等细胞或组织或若干种产物反应的复杂性简单一般复杂很复杂反应速率或生长速率快一般慢很慢生物反应过程的分类及其特征分类酶催化反应单一细胞反应过程多细13细胞反应动力学考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型

（1）概率论的结构模型（2）概率论的非结构模型（3）确定论的结构模型（4）确定论的非结构模型

实际情况理想情况细胞反应动力学考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模14化学计量学细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。

碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2OCHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2C:1=c+d+f

H:m+3b=cx+ud+2e

O:n+2a=cy+vd+e+2f

N:b=zc+wd化学计量学细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应15得率系数研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。例如：

细胞得率Yx/c=得率系数研究细胞反应过程总物质和能量变16生物反应器的设计、优化与放大生物反应器是使生物技术转化为产品生产力的关键设备，使用高效率生物反应器的目的是提高产品生成速率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大的经济效益。生物反应器的设计，包括反应器型式、结构和操作方式的选择，以及反应器几何尺寸的确定。生物反应器的设计、优化与放大生物反应器17机械搅拌罐机械搅拌罐18生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程课件19

（1）能精确地测量并控制温度、pH值和溶解氧浓度。（2）气流搅拌，剪切力小。（3）具有可靠的抗污染密封性能；精密气体过滤器，能有效而可靠地滤除空气中杂菌；（4）适用于科研、生产单位的新产品开发、新工艺研究及生物医药产品的生产。气升式发酵罐（1）能精确地测量并控制温度、pH值和溶解20用于新型基因工程药物、疫苗及抗体等产品的研究和生产。具有如下特点磁力驱动搅拌装置；根据流体运动几何学专门设计的符合动物细胞培养的搅拌浆叶；配置符合动物细胞培养的专用卫生级隔膜阀、取样阀；具有符合动物细胞培养特点的专用高级软件包.动物细胞反应器用于新型基因工程药物、疫苗及抗体等产品的研究和生产。具有21植物细胞反应器植物细胞反应器22

适用于藻类的培养，反应过程中提供了充足的光照，比表面积大。光生物反应器分扁平箱式光培养器（LLS）和圆筒形光培养器（LLG）。扁平箱式光培养器两侧外部窄面是温度控制循环水夹套，两侧外部宽面内配光源，培养器内有气流导板，通入空气使培养液混合均匀。圆筒形光培养器的透明玻璃筒体外装有人造光源，筒体下部是温度控制循环水夹套，同时装备有机械搅拌桨，特别适用于藻细胞浓度较高的培养。光生物反应器适用于藻类的培养，反应过程中提供23膜生物反应器膜生物反应器膜生物反应器膜生物反应器24特别适用于如基因工程菌高密度高表达需要的高供氧、快速均匀升温等要求，能迅速实现生物技术实验室成果转化，也是各高校和研究所用于发酵初步试验研究的首选装备。台式发酵罐特别适用于如基因工程菌高密度高表达需要的高供氧、25大型发酵罐大型发酵罐26国内、外反应器设备公司德国贝朗占中国80%以上的市场瑞士比欧美国NBS韩国日本华东理工大学江苏理工大学国内、外反应器设备公司德国贝朗占中国80%以上的市场27生物反应器的操作方式：

分批式操作(batchoperation)：是指将新鲜的培养基一次性加入发酵罐中，在适宜的条件下接种后开始培养，培养结束后，将全部发酵液取出的培养方法。连续式操作(continuousoperation)：是指以一定的速率不断向发酵罐中供给新鲜的培养基，同时等量地排出发酵液，维持发酵罐中液量一定的培养方法。流加式操作(semi-batchoperation)：是指发酵罐中先进行分批培养，之后连续加入培养基质至培养结束，而过程中间不取出发酵液的培养方法。生物反应器的操作方式：分批式操作(batc28平板培养摇瓶试验发酵罐试验生物反应器的优化与放大工业生产平板培养摇瓶试验发酵罐试验生物反应器的优化与放大工业生产29现代生物反应工程规模低值工业品大型化以规模来取胜（几十数百吨）。如味精、氨基酸、有机酸、抗生素、饲料、食品工业用产品等；高价值转基因产品小型化（几十数百升）。基因工程大肠杆菌、酵母菌高密度培养；动物细胞植物细胞培养；研究中心智能化、全能性。现代生物反应工程规模低值工业品大型化以规模来取胜（几十数百吨301.4生物反应工程的研究方法

经验模型：在完全不了解或不考虑过程机理的情况下，仅根据一定条件下的实验数据进行的数学关联。

半经验模型：对过程机理有一定了解基础上结合经验数据得到。

数学模型：应用数学语言来表述生物反应过程中各个变量之间的关系。1.4生物反应工程的研究方法经验模型：在完全不了解31一、反应过程的适当减化二、定量化研究三、过程分离原理四、数学模型的建立建立数学模型法的步骤一、反应过程的适当减化建立数学模型法的步骤321.5思考题：

1.生物反应工程包括哪两个重要内容的研究？2.生物反应动力学包含哪两个层次的动力学？1.5思考题：1.生物反应工程包括哪两个重要内容的研究？3321世纪高等院校

—生物工程类

生物反应工程

BioreationEngineering

李敬21世纪高等院校

34第一章绪论1.1生物反应工程的研究目的1.2生物反应工程的发展过程1.3生物反应工程的主要内容1.4生物反应工程的研究方法1.5思考题第一章绪论1.1生物反应工程的研究目的35FERMENTATION生物催化剂-enzyme-microbioass-animalandplantcellDOWNSTREAMPROCESSES-productextraction,purification&assay-wastetreatmentbyproductrecovery生物技术产品生产过程原材料1.1生物反应工程的研究目的FERMENTATION生物催化剂DOWNSTREAMPR36生物反应工程定义：

以生物反应动力学为基础，研究生物反应器的设计、放大和生物反应过程的优化操作和控制的学科。

生物反应工程定义：372

反应工程的用途、作用

反应动力学

反应模式速率方程活化能

反应器的设计与分析

各因素（T,P,c）的变化规律最佳工况2反应工程的用途、作用反应动力学38研究目的：

提供适宜的动力学方程，以描述微生物（酶、动植物等）反应体系，确定这些方程在设计方面的用途，规划实验室的实验，决定动力学方程所需的速率常数。研究目的：提供适宜的动力学方程，以描述39一、诞生时期（20世纪40年代）1947年美国的Merch制药厂因在建立抗生素工业中由于解决了高效通气搅拌技术、无菌空气过滤技术、大型反应器灭菌等一系列工程技术问题，使以青霉素为代表的微生物发酵工业进入一个新的发展阶段，而被授予“生化工程专题研究”成果奖，一门反映生物和化学工程交叉的学科——生物化学工程诞生，并取得了快速的发展。1.2生物反应工程的发展过程一、诞生时期（20世纪40年代）1.2生物反应工程的发展过程40二、发展时期（20世纪50年代以后）1964年，Aiba等认为放大是生化工程的焦点，与微生物代谢反应紧密相连，1973年，进一步指出，在大规模研究方面，应当进一步开展对微生物反应本质的研究。1971年，英国的Atkinson首先采用了生物反应工程这一术语，1974年，在他编著的《生物反应器》一书中指出，生物反应工程的目的是描述微生物体系反应动力学的合适表达式，并能够通过实验求出其常数。二、发展时期（20世纪50年代以后）411979年，日本山根恒夫《生物反应工程》，生物反应工程是一门以速率为基础，研究酶反应、微生物反应及废水处理过程的合理设计、操作和控制的工程学。1985年，德国学者卡尔.许格尔提出生物反应工程的研究应当包括两个方面，一是宏观动力学，它涉及生物、化学、物理之间的相互关系；二是生物反应器工程，它主要涉及不同的反应器对生物化学和物理过程的影响。1979年，日本山根恒夫《生物反应工程》42三、新时期（20世纪90年代）

基因工程技术与生物反应工程技术不断的融合，人类基因组计划的完成，后基因组计划的进行，给生物反应工程技术带来新的发展机遇。

质粒复制与表达动力学

超临界相态下的生物反应

界面微生物生长模型

双液相生物反应三、新时期（20世纪90年代）43

1.3生物反应工程的主要内容生物反应工程是以工业规模的生物反应过程为主要研究对象，具体研究中要兼顾可操作性，生物反应工程的研究内容为下述2项，

生物反应动力学

生物反应器的设计、放大与缩小1.3生物反应工程的主要内容生物反应工程44生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和各种因素对反应速率的影响，它是生物反应工程学的理论基础之一，这里所讨论的生物反应动力学包含两个层次的动力学。（1）本征动力学，又称微观动力学。（2）宏观动力学，又称反应器动力学。计算反应时间和反应器体积生物反应动力学生物反应动力学主要研究生物反应速率和45生物反应过程的分类及其特征分类酶催化反应单一细胞反应过程多细胞反应过程动植物细胞反应体系反应水平分子水平细胞水平细胞水平细胞或组织水平底物数量1-2种若干种若干种若干种产物数量1-2种细胞和若干种代谢产物若干种菌体和CO2、CH4等细胞或组织或若干种产物反应的复杂性简单一般复杂很复杂反应速率或生长速率快一般慢很慢生物反应过程的分类及其特征分类酶催化反应单一细胞反应过程多细46细胞反应动力学考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模型考虑细胞组成变化可分为结构模型和非结构模型

（1）概率论的结构模型（2）概率论的非结构模型（3）确定论的结构模型（4）确定论的非结构模型

实际情况理想情况细胞反应动力学考虑细胞之间有无差别可分为概率论和确定论模47化学计量学细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应途径复杂。必须用化学计量学方法来处理，可将反应器中细胞的活动用元素的平衡式来表示。

碳源+氮源+氧=菌体+有机产物+CO2+H2OCHmOn+aO2+bNH3=cCHxOyNz+dCHuOvNw+eH2O+fCO2C:1=c+d+f

H:m+3b=cx+ud+2e

O:n+2a=cy+vd+e+2f

N:b=zc+wd化学计量学细胞反应中参与反应的培养基成分多，反应48得率系数研究细胞反应过程总物质和能量变化的规律，常用得率系数对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。例如：

细胞得率Yx/c=得率系数研究细胞反应过程总物质和能量变49生物反应器的设计、优化与放大生物反应器是使生物技术转化为产品生产力的关键设备，使用高效率生物反应器的目的是提高产品生成速率，减少有关辅助设备，降低生产成本，获得尽可能大的经济效益。生物反应器的设计，包括反应器型式、结构和操作方式的选择，以及反应器几何尺寸的确定。生物反应器的设计、优化与放大生物反应器50机械搅拌罐机械搅拌罐51生物反应动力学生物反应器的设计放大与缩小-化学反应工程课件52

（1）能精确地测量并控制温度、pH值和溶解氧浓度。（2）气流搅拌，剪切力小。（3）具有可靠的抗污染密封性能；精密气体过滤器，能有效而可靠地滤除空气中杂菌；（4）适用于科研、生产单位的新产品开发、新工艺研究及生物医药产品的生产。气升式发酵罐（1）能精确地测量并控制温度、pH值和溶解53用于新型基因工程药物、疫苗及抗体等产品的研究和生产。具有如下特点磁力驱动搅拌装置；根据流体运动几何学专门设计的符合动物细胞培养的搅拌浆叶；配置符合动物细胞培养的专用卫生级隔膜阀、取样阀；具有符合动物细胞培养特点的专用高级软件包.动物细胞反应器用于新型基因工程药物、疫苗及抗体等产品的研究和生产。具有54植物细胞反应器植物细胞反应器55

适用于藻类的培养，反应过程中提供了充足的光照，比表面积大。光生物反应器分扁平箱式光培养器（LLS）和圆筒形光培养器（LLG）。扁平箱式光培养器两侧外部窄面是温度控制循环水夹套，两侧外部宽面内配光源，培养器内有气流导板，通入空气使培养液混合均匀。圆筒形光培养器的透明玻璃筒体外装有人造光源，筒体下部是温度控制循环水夹套，同时装备有机械搅拌桨，特别适用于藻细胞浓度较高的培养。光生物反应器适用于藻类的培养，反应过程中提供56膜生物反应器膜生物反应器膜生物反应器膜生物反应器57特别适用于如基因工程菌高密度高表达需要的高供氧、快速均匀升温等要求，能迅速实现生物技术实验室成果转化，也是各高校和研究所用于发酵初步试验研究的首选装备。台式发酵罐特别适用于如基因工程菌高密度高表